電機理論與分析

1、1、電機概述及其作用電能是能量的一種形式，與其他形式的能量相比，它具有明顯的優(yōu)越性：適用于大量生產(chǎn)、集中管理、遠(yuǎn)距離傳輸和自動控制。電機就是一種將電能與機械能相互轉(zhuǎn)換的電磁機械裝置。電機一般有兩種應(yīng)用形式：第一種是把機械能轉(zhuǎn)換為電能，稱之為發(fā)電機，它通過原動機先把各類一次能源蘊藏的能量轉(zhuǎn)換為機械能，然后再把機械能轉(zhuǎn)換為電能，最后經(jīng)輸電、配電網(wǎng)絡(luò)送往城市各工礦企業(yè)、家庭等各種用電場合；第二種是把電能轉(zhuǎn)換為機械能，稱之為電動機，它用來驅(qū)動各種用途的生產(chǎn)機械和其他裝置，以滿足不同的要求。電動機根據(jù)應(yīng)用場合的要求和電源的不同，可分為直流電動機、交流感應(yīng)電動機（交流異步電動機）和交流同步電動機。另外，運

2、用電磁感應(yīng)原理工作的變壓器和控制電機也屬于電機的類別。變壓器是將一種交流電壓、電流轉(zhuǎn)換成同頻率的另一種交流電壓、電流的靜止電器?？刂齐姍C的主要職能是在電氣機械系統(tǒng)中進行調(diào)節(jié)、放大和控制電機是隨著生產(chǎn)力的發(fā)展而發(fā)展的。反過來，電機的發(fā)展又促進了社會生產(chǎn)力的不斷提高。從19世紀(jì)末起，電動機就逐漸代替蒸汽機作為拖動生產(chǎn)機械的原動機。近一個世紀(jì)來，電機的基本結(jié)構(gòu)似乎并沒有大的變化，但是電機的類型卻有了很大發(fā)展，在運行性能、經(jīng)濟指標(biāo)等方面也都有了很大的改進和提高，而且隨著自動控制系統(tǒng)和計算裝置的發(fā)展，在一般旋轉(zhuǎn)電機的理論基礎(chǔ)上又發(fā)展出許多種高可靠性、高精度、快速響應(yīng)的控制電機，成為電機學(xué)科的一個獨立分支

3、。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，各類電機在工業(yè)自動化和人們的生活工作中正起著越來越大的作用。電機作為機電能量轉(zhuǎn)換的重要裝置，是電氣傳動的基礎(chǔ)部件，其耗電量占據(jù)了全部用電量的60%以上，對國民經(jīng)濟、能源利用、環(huán)境保護和人民生活質(zhì)量的提高都起著十分重要的作用。電機作為一個動力驅(qū)動源應(yīng)用十分廣泛，在世界各國的經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著越來越重要的地位，這一產(chǎn)業(yè)為牽引許多工業(yè)國經(jīng)濟發(fā)展的騰飛發(fā)揮著重要作用。它不僅是工業(yè)設(shè)備的動力，同時也是實現(xiàn)生活現(xiàn)代化的動力。電機質(zhì)量和先進程度同樣也是反映一個國家自動化水平的指標(biāo)，電機質(zhì)量決定著人們的生活質(zhì)量和國家的工業(yè)化水平。 總之，在電力工業(yè)中，

4、發(fā)電機是生產(chǎn)電能的主要設(shè)備；變壓器是變電站輸、配電線路中對電壓進行變換的主要設(shè)備；在機械、冶金、紡織、煤炭、石油、化工、交通運輸和家用電器等行業(yè)中，電動機是各種生產(chǎn)機械的主要動力設(shè)備；在國防和民用的各種自動控制系統(tǒng)中，控制電機是重要和不可缺少的元件。因此，電機在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中起著極其重要的作用。2、直流電機簡介常用的直流電機有以下幾種：第一，最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是采用恒定的直流電壓向直流電動機電樞供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行設(shè)備制造方便，價格低廉。但缺點是效率低、機械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以目前極少采用。第二，三十年代末，出現(xiàn)了發(fā)電機-電動機(也

5、稱為旋轉(zhuǎn)變流組)，配合采用磁放大器、電機擴大機、閘流管等控制器件，可獲得優(yōu)良的調(diào)速性能，如有較寬的調(diào)速范圍(十比一至數(shù)十比一)、較小的轉(zhuǎn)速變化率和調(diào)速平滑等，特別是當(dāng)電動機減速時，可以通過發(fā)電機非常容易地將電動機軸上的飛輪慣量反饋給電網(wǎng)，這樣，一方面可得到平滑的制動特性，另一方面又可減少能量的損耗，提高效率。但發(fā)電機、電動機調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點是需要增加兩臺與調(diào)速電動機相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機和一些輔助勵磁設(shè)備，因而體積大，維修困難等。第三，自出現(xiàn)汞弧變流器后，利用汞弧變流器代替上述發(fā)電機、電動機系統(tǒng)，使調(diào)速性能指標(biāo)又進一步提高。特別是它的系統(tǒng)快速響應(yīng)性是發(fā)電機、電動機系統(tǒng)不能比擬的。但是汞弧變流器仍存在

6、一些缺點:維修還是不太方便，特別是水銀蒸汽對維護人員會造成一定的危害等。第四，1957年世界上出現(xiàn)了第一只晶閘管，與其它變流元件相比，晶閘管具有許多獨特的優(yōu)越性，因而晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)立即顯示出強大的生命力。由于它具有體積小、響應(yīng)快、工作可靠、壽命長、維修簡便等一系列優(yōu)點，采用晶閘管供電，不僅使直流調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)濟指標(biāo)上和可靠性有所提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管變流裝置的放大倍數(shù)在10000以上，比機組(放大倍數(shù)10)高1000倍，比汞弧變流器(放大倍數(shù)1000)高10倍;在響應(yīng)快速性上，機組是秒級，而晶閘管變流裝置為毫秒級。從20世紀(jì)80年代中后期起，以晶閘管整流裝置取代了以

7、往的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置，使直流電氣傳動完成一次大的躍進。同時，控制電路也實現(xiàn)了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)大幅提高，應(yīng)用范圍不斷擴大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。 直流電動機具有很多優(yōu)點：過載能力強、啟動轉(zhuǎn)矩大、制動轉(zhuǎn)矩大；直流電動機雖不像交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護方便、運行可靠，但由于交流電動機的調(diào)速問題長期未能得到滿意的解決，因此在過去一段時間內(nèi)，直流電動機顯示出交流電動機所不能比擬的良好的啟動性能和調(diào)速性能，具有寬廣的調(diào)速范圍、平滑的無級調(diào)速特性、可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)、能承受頻繁的沖擊負(fù)載、能

8、滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運行的要求。所以，直流電動機被廣泛地應(yīng)用在電力機車、無軌電車、軋鋼機、機床和各種起重設(shè)備中。目前，雖然交流電動機的調(diào)速問題已經(jīng)解決，但是，速度調(diào)節(jié)要求較高，正、反轉(zhuǎn)和啟、制動頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械，仍采用直流電動機拖動。直流發(fā)電機供電質(zhì)量較好，能提供無脈動的大功率直流電源，且輸出電壓可以精確地調(diào)節(jié)和控制，常常作為中小型同步發(fā)電機的勵磁電源和一些化學(xué)工業(yè)中的直流電源。但直流電機也有它顯著的缺點：一是制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)成本高；二是運行時由于電刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，因而可靠性較差，維護比較困難。所以在一些對調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)域中己被交

9、流變頻調(diào)速系統(tǒng)所取代。但是在某些要求調(diào)速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優(yōu)異的場合，直流電動機的應(yīng)用目前仍占有較大的比重。與交流電機相比，直流電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、可靠性稍差。使它的應(yīng)用受到限制，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，與電力電子裝置結(jié)合而具有直流電機性能的電機不斷涌現(xiàn)，使直流電機有被逐步取代的趨勢。3、交流電機電機發(fā)明的早期都是被應(yīng)用在工業(yè)方面的領(lǐng)域。最早以直流電機應(yīng)用的范圍最廣，其中以60年代至80年代中期使用最為旺盛，但其因碳刷的關(guān)系所產(chǎn)生的種種問題至今一直存在，所以在1980年代中期以后，傳統(tǒng)直流電機即漸漸被淘汰，取而代之的是交流電機。從傳統(tǒng)交流電機的模擬控制進化到現(xiàn)今數(shù)字控制

10、電機的出現(xiàn)，各種電機的技術(shù)不斷演化、改進，至目前為止，交流電機在現(xiàn)階段，仍為工業(yè)動力上使用最為普遍的電機類型。3.1 交流電機的共同問題交流旋轉(zhuǎn)電機可以分為同步電機和異步電機兩類。同步電機和感應(yīng)電機雖然勵磁方式和運行特性有很大的差別，但電機內(nèi)部發(fā)生的電磁現(xiàn)象和機電能量轉(zhuǎn)換的原理卻基本上是相同的，存在共性的問題：交流電機繞組的連接規(guī)律、正弦分布磁場下繞組的電動勢、非正弦分布磁場下的諧波電動勢及其抑制和通有正弦電流時繞組產(chǎn)生的磁動勢。3.2 交流繞組的構(gòu)成原則和分類繞組是電機的主要部分，要分析交流電機的原理與運行問題，必須首先對交流繞組的構(gòu)成和連接規(guī)律有一個基本的了解。交流繞組盡管形式多樣，但其其

11、構(gòu)成原則基本相同，這些原則是：（1） 合成電動勢和合成磁動勢的波形要接近正弦波，幅值要大；（2） 對三相繞組，各相的電動勢和磁動勢要對稱，阻抗要平衡；（3） 繞組的銅耗要小，用銅量要??；（4） 絕緣要可靠，機械強度要高，扇熱條件要好，制造要方便。交流繞組可按相數(shù)、繞組層數(shù)、每極每相下槽數(shù)和繞法來分類。按相數(shù)分，可分為單相繞組、兩相繞組、三相繞組和多相繞組；按槽內(nèi)繞組層數(shù)，可分為單層繞組和雙層繞組；按每極每相槽數(shù)分，可分為整數(shù)槽和分?jǐn)?shù)槽繞組；按繞法，單層繞組可分為，鏈?zhǔn)嚼@組、交叉式繞組、同心式繞組；雙層繞組可分為，疊繞組和波繞組。與電機繞組相關(guān)的幾個概念分別是：（1）極對數(shù)：指電機主磁極的對數(shù)，

12、通常用p表示；（2）機械角度：一個圓周真正的空間角度為機械角度360°；（3）電角度：在電機理論中，我們把一對主磁極所占的空間距離，稱為360°的空間電角度。電角度=極對數(shù)×機械角度；（4）槽距角：相鄰兩槽間的距離用電角度表示，叫做槽距角，用表示，=p×360°/z；（5）極距：指電機一個主磁極在電樞表面所占的長度；用槽數(shù)表示：=z/2p；用空間長度表示：=D/2p；（6）每極每相槽數(shù)：在交流電機中，每極每相占有的平均槽數(shù)q是一個重要的參數(shù)，如電機槽數(shù)為Z，極對數(shù)為p，相數(shù)為m。則得：q=Z/2pm，q=1的繞組稱為集中繞組，q>1的繞組

13、稱為分布繞組。3.3 三相雙層繞組現(xiàn)代10kW以上的三相交流電機，其定子繞組一般均采用雙層繞組。雙層繞組的每個槽內(nèi)有上、下兩個線圈邊。雙層繞組：指電機每一槽分為上下兩層，線圈（元件）的一個邊嵌在某槽的上層，另一邊安放在相隔一定槽數(shù)的另一槽的下層的一種繞組結(jié)構(gòu)。雙層繞組的線圈結(jié)構(gòu)和單層繞組相似，但由于其一槽可安放兩個線圈邊，所以雙層繞組的線圈數(shù)和槽數(shù)正好相等。根據(jù)雙層繞組線圈形狀和連接規(guī)律，三相雙層繞組可分為疊繞組和波繞組兩大類。雙層繞組的主要優(yōu)點為：（1）可以選擇最有利的節(jié)距，并同時采用分布繞組，來改善電動勢和磁動勢的波形；（2）所有線圈具有同樣的尺寸，便于制造；（3）端部形狀排列整齊，有利于

14、散熱和增強機械強度。在介紹雙層疊繞組之前，先介紹下槽電勢星形圖。3.3.1 槽電動勢星形圖槽電動勢星形圖：當(dāng)把電樞上各槽內(nèi)導(dǎo)體按正弦規(guī)律變化的電動勢分別用相量表示時，這些相量構(gòu)成一個輻射星形圖，槽電動勢星形圖是分析交流繞組的有效方法。槽電動勢星形圖的畫法：（1）計算每槽的電角度；（2）在紙上水平的右方，作出第一根矢量，此后每隔作一矢量(在槽電勢矢量星形圖上，電角度用幾何角度表示)，在一個圓周內(nèi)共作出360°/根矢量；（3）把水平右方第一根矢量作為基準(zhǔn)初相角，并按順時針方向分別標(biāo)出槽矢量號1，2，3，依次落后一個 角?，F(xiàn)用一臺三相、四極、36槽的定子來說明槽內(nèi)導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢，和屬于各

15、相的導(dǎo)體（槽號）是如何分配的。由于槽數(shù)Q=36，極數(shù)2p=4，相數(shù)m=3，所以定子的每極每相槽數(shù)q為q=Q/2pm=36/（4×3）=3由于每一極相當(dāng)于360°電角度，此電機為四極，相當(dāng)于p×360°=720°電角度，而定子共有Q個槽，故相鄰兩槽間的電角度為=p×360°/Q=2×360°/36=20°此角也是相鄰槽中導(dǎo)體感應(yīng)電動勢的相位差。槽電動勢星形圖的一個圓周的距離使用電角度360°，即一對磁極的距離。所以，118號相量和1936重合。一般來說,當(dāng)用相量表示各槽的導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢

16、時,由于一對磁極下有Z/P個槽,因此一對磁極下的Z/P個槽電動勢相量均勻分布在360°的范圍內(nèi),構(gòu)成一個電動勢星形圖.三相雙層繞組的槽電動勢星形圖（Q=36，2p=4）3.3.4 疊繞組疊繞式：任何兩個相鄰的線圈都是后一個“緊疊”在另一個上面，故稱為疊繞組。雙層疊繞組的主要優(yōu)點在于：（1）可以靈活地選擇線圈節(jié)距來改善電動勢和磁動勢波形；（2）各線圈節(jié)距、形狀相同，便于制造；（3）可以得到較多的并聯(lián)支路數(shù)；（4）可采用短距線圈以節(jié)約端部用銅。主要缺點在于：（1）嵌線較困難，特別是一臺電機的最后幾個線圈；（2）線圈組間連線較多，極數(shù)多時耗銅量較大。一般10kW以上的中、小型同步電機和異步

17、電機及大型同步電機的定子繞組采用雙層疊繞組。下面我們通過具體例子來說明疊繞組的繞制方法。三相交流電機Z=36，2p=4，試?yán)L制a=2的三相雙層疊繞組展開圖。定子的每極每相槽數(shù)q為 q=Q/2pm=36/（4×3）=3相鄰兩槽間的電角度為 =p×360°/Q=2×360°/36=20°槽距：用槽數(shù)表示：=z/2p=36/4=9 取線圈節(jié)距y1=7；畫出槽電勢星形圖：分相極對各相槽號AZBXCY第一對極1， 2， 34， 5， 67， 8， 910，11，1213，14，1516，17，18第二對極19，20，2122，23，2425，2

18、6，2728，29，3031，32，3334，35，36繪制繞組展開圖：將同一磁極下屬于同一相帶的線圈依次連成一個線圈組則A相可得四個線圈組，分別為1-2-3，10-11-12，19-20-21，28-29-30。同理B、C兩相也各有4個線圈組。四個線圈組的電動勢的大小相等，但同一相的兩個相帶中的線圈組電動勢相位相反。如下圖所示：這是一個三相四極36槽，槽距為7的雙層繞組、極相組串聯(lián)的電機繞組示意圖3.3.5 正弦分布磁場下繞組的電動勢若氣隙中磁場的分布是正弦的，那么交流繞組中感應(yīng)的電動勢也是正弦的，而事實上氣隙中磁場不可能做到絕對的正弦分布，實際上只要求電動勢波形接近正弦波就能滿足工程實際的

19、需要。一個非正弦分布的磁場可以分解為基波磁場和一系列高次諧波磁場，先分析基波磁場下繞組感應(yīng)的電動勢，再分析高次諧波磁場感應(yīng)的高次諧波電動勢。3.3.5.1 導(dǎo)體電動勢當(dāng)氣隙磁場的磁通密度B在空間按正弦波分布時，設(shè)其最大磁密為Bm1，則：B= Bm1sin當(dāng)導(dǎo)體切割氣隙磁場時：所以導(dǎo)體電動勢的有效值為：其中：正弦波磁通密度的平均值為：代入Ec1可得：3.3.5.2 線圈電動勢和短距系數(shù)線圈一般由Nc匝構(gòu)成，當(dāng)Nc=1時，為單匝線圈。單匝時：y1= 稱為整距線圈。由于整距線匝兩有效邊感應(yīng)電動勢的瞬時值大小相等而方向相反，故整距線匝的感應(yīng)電動勢為：其有效值為：3.3.5.3 線圈組電動勢和分布系數(shù)線

20、圈在下線時，是以線圈組為單位的，每個極（雙層繞組時）或每對極（單層繞組時）下有q個線圈串聯(lián)，組成一個線圈組，所以線圈組的電動勢等于q個串聯(lián)線圈電動勢的相量和。對于確定的q且q值較小，用相量加法不難求出線圈組的電動勢。利用正多邊形和它的外接圓的幾何關(guān)系來求出普遍q值下的線圈組電動勢和線圈電動勢的關(guān)系式。q個線圈電動勢的相位差為1，將q個線圈電動勢相量作為一正多邊形的q個邊。O為線圈組電動勢相量多邊形的外接圓圓心，R為半徑 其中kq1為 當(dāng)q=1時，kq1=1，稱為集中繞組。線圈組電動勢的有效值為：Eq1=4.44qNcKy1Kq1f1=4.44qNcKN1f1式中kN1= ky1kq1稱為繞組系

21、數(shù)，稱為繞組系數(shù)，表示由于繞組為短距、分布繞組，線圈組電動勢時所應(yīng)打的折扣。3.3.5.4 相電動勢和線電動勢2p個(或p個)線圈組或并或串構(gòu)成一相繞組，把一相所串聯(lián)的線圈組電動勢相加便得相電動勢，相電動勢的計算和繞組的并聯(lián)支路數(shù)有關(guān)，如果每相有 a 并聯(lián)支路，則a條支路的電動勢應(yīng)同大小、同相位，以免產(chǎn)生環(huán)流。這時相電動勢等于每一支路的電動勢。若是雙層繞組，則每條支路有2p/a個線圈組串聯(lián)，相電動勢為：若是單層繞組，則每條支路有p/a個線圈組串聯(lián)，相電動勢為：相電動勢可以統(tǒng)一寫成 式中N為每相繞組的串聯(lián)匝數(shù)（即一支路的匝數(shù)）：對于雙層繞組 對于單層繞組 3.3.5.5 感應(yīng)電動勢和繞組所交鏈磁

22、通的相位關(guān)系繞組中的感應(yīng)電動勢在時間相位上滯后于與繞組相交鏈的磁通90°電角度。在變壓器中，與繞組交鏈磁通的變化是由于主磁通本身隨時間變化（脈振）所引起的；而在旋轉(zhuǎn)電機中，一般是氣隙磁密波本身的大小沒有變化，但隨時間相對于繞組而旋轉(zhuǎn)，因此它與繞組交鏈的磁通也隨時間而正弦變化（基波），表示為：(t)= msint4、三相異步電機實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)換的電工設(shè)備總稱為電機。電機是利用電磁感應(yīng)原理實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換。把機械能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備稱為發(fā)電機，而把電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備叫做電動機。異步電動機按電源相數(shù)分類可分為三相異步電動機與單相異步電動機。三相異步電動機使用三相交流電源

23、，它具有結(jié)構(gòu)簡單、使用和維修方便、堅固耐用等優(yōu)點，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用極為廣泛。4.1 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理4.1.1 三相異步電動機的工作原理在圖4.1中，假設(shè)磁場的旋轉(zhuǎn)是逆時針的，這相當(dāng)于金屬框相對于永久磁鐵，以順時針方向切割磁力線，金屬框中感生電流的方向，如圖中小圓圈里所標(biāo)的方向。此時的金屬框已成為通電導(dǎo)體，于是它又會受到磁場作用的磁場力，力的方向可由左手定則判斷，即圖中小箭頭所指示的方向。金屬框的兩邊受到兩個反方向的力f，它們相對轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 (磁力矩)，使圖4.1 閉合金屬框示意圖金屬框發(fā)生轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)方向一致，但永久磁鐵旋轉(zhuǎn)的速度n1要比

24、金屬框旋轉(zhuǎn)的速度n大。從上述實驗中可以看到，在旋轉(zhuǎn)的磁場里，閉合導(dǎo)體會因發(fā)生電磁感應(yīng)而成為通電導(dǎo)體，進而又受到電磁轉(zhuǎn)矩作用而順著磁場旋轉(zhuǎn)的方向轉(zhuǎn)動；實際的電動機中不可能用手去搖動永久磁鐵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，而是通過其他方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如在交流電動機的定子繞組(按一定排列規(guī)律排列的繞組)通入對稱的交流電，便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；這個磁場雖然看不到，但是人們可以感受到它所產(chǎn)生的效果，與有形體旋轉(zhuǎn)磁場的效果一樣。通過這個實驗，可以清楚地看到，交流電動機的工作原理主要是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。圖 4.1為了更好的說明三相異步電動機的工作原理，用圖4.2進一步進行說明，從中可以很清楚地看到三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的現(xiàn)像。圖中

25、所示的3個繞組在空間上相互間隔機械角度120°(實際的電動機中一般都是相差電角度120°)，3個繞組的尾端 (標(biāo)有U2、V2、W2) 連接在一起(3個繞組的這種連接稱為星形(Y)接法。常用接法還有三角形()接法，就是將3個繞組首尾相連，在3個接點上分別引出3根引線的接法。)，將對稱的三相交流電iU=Imsinw t、iV=Imsin(w t-120°)、iW=Imsin(w t-240°)從3個繞組的首端(標(biāo)有U1、V1、W1)通入，放在繞組中心處的小磁針便迅速轉(zhuǎn)動起來，由此可知旋轉(zhuǎn)磁場的存在。圖4.2 三相交流電動機定子三相交流電是怎樣產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的呢

26、？用圖4.3進行分析。當(dāng)3個繞組跟三相電源接通后，繞組中便通過三相對稱的交流電流iU、iV、iW，其波形如圖4.3圖所示?，F(xiàn)在選擇幾個特殊的運行時刻，看看三相電流所產(chǎn)生的合成磁場是怎樣的。這里規(guī)定：電流取正值時，是由繞組始端流進(符號Å)，由尾端流出(符號)；電流取負(fù)值時，繞組中電流方向與此相反。當(dāng)wt=w t1=0，U相電流iU=0，V相電流取為負(fù)值，即電流由V2端流進，由V1端流出；W相電流iW為正，即電流從W1端流進，從W2端流出。在圖4.3的定子繞組圖中，根據(jù)電生磁右手螺旋定則，可以判定出此時電流產(chǎn)生的合成磁場如圖4.3(a)所示，此時好像有一個有形體的永久磁鐵的N極放在導(dǎo)體

27、U1的位置上，S極放在導(dǎo)體U2的位置上。當(dāng)w t=w t2=2時，電流已變化了1/3周期。此時刻i為正，電流由U1端流入，從U2端流出，iV為零；iW為負(fù)，電流從W2端流入，從W1端流出。這一時刻的磁場如圖4.3(b)所示。磁場方向較wt=wt1時沿順時針方向在空間轉(zhuǎn)過了120°。用同樣的方法，繼續(xù)分析電流在wt=wt3、wt=wt4時的瞬時情況，便可得這兩個時刻的磁場，如圖4.3(c)、4.3(d)所示。在wt=wt3=4/3 時刻，合成磁場方向較wt2時刻又順時針轉(zhuǎn)過120°。在wt=wt4=2時刻，磁場較w t3時再轉(zhuǎn)過120°，即自t1時刻起至t4時刻，電

28、流變化了一個周期，磁場在空間也旋轉(zhuǎn)了一周。電流繼續(xù)變化，磁場也不斷地旋轉(zhuǎn)。從上述分析可知，三相對稱的交變電流通過對稱分布的3組繞組產(chǎn)生的合成磁場，是在空間旋轉(zhuǎn)的磁場，而且是一種磁場幅值不變的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。由繞組始端流進(符號Å)，由尾端流出(符號)；電流取負(fù)值時，繞組中電流方向與此相反。（a） (b) (c) (d)圖4.3 三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場示意圖把對稱的三相交流電通入彼此間隔120°電角度的三相定子繞組，可建立起一個旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中必然會產(chǎn)生感生電流，該電流在磁場的作用下產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)磁場同方向的電磁轉(zhuǎn)矩，并隨磁場同方向轉(zhuǎn)動。4.1.2 三相異

29、步電動機的結(jié)構(gòu)三相異步電動機的結(jié)構(gòu)如下圖4.4所示圖4.4 封閉式三相異步電動機的結(jié)構(gòu)1端蓋 2軸承 3機座 4定子繞組 5轉(zhuǎn)子6軸承 7端蓋 8風(fēng)扇 9風(fēng)罩 10接線盒異步電動機的結(jié)構(gòu)也可分為定子、轉(zhuǎn)子兩大部分。定子就是電機中固定不動的部分，轉(zhuǎn)子是電機的旋轉(zhuǎn)部分。由于異步電動機的定子產(chǎn)生勵磁旋轉(zhuǎn)磁場，同時從電源吸收電能，并產(chǎn)生且通過旋轉(zhuǎn)磁場把電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子上的機械能，所以與直流電機不同，交流電機定子是電樞。另外，定、轉(zhuǎn)子之間還必須有一定間隙(稱為空氣隙)，以保證轉(zhuǎn)子的自由轉(zhuǎn)動。異步電動機的空氣隙較其他類型的電動機氣隙要小，一般為0.2 mm2mm。 三相異步電動機外形有開啟式、防護式、封閉式

30、等多種形式，以適應(yīng)不同的工作需要。在某些特殊場合，還有特殊的外形防護型式，如防爆式、潛水泵式等。不管外形如何電動機結(jié)構(gòu)基本上是相同的?，F(xiàn)以封閉式電動機為例介紹三相異步電動機的結(jié)構(gòu)。如圖4.4所示是一臺封閉式三相異步電動機解體后的零部件圖。4.1.2.1 定子部分定子部分由機座、定子鐵心、定子繞組及端蓋、軸承等部件組成。(1)機座。機座用來支承定子鐵心和固定端蓋。中、小型電動機機座一般用鑄鐵澆成，大型電動機多采用鋼板焊接而成。(2)定子鐵心。定子鐵心是電動機磁路的一部分。為了減小渦流和磁滯損耗，通常用0.5mm厚的硅鋼片疊壓成圓筒，硅鋼片表面的氧化層(大型電動機要求涂絕緣漆)作為片間絕緣，在鐵心

31、的內(nèi)圓上均勻分布有與軸平行的槽，用以嵌放定子繞組。(3)定子繞組。定子繞組是電動機的電路部分，也是最重要的部分，一般是由絕緣銅(或鋁)導(dǎo)線繞制的繞組聯(lián)接而成。它的作用就是利用通入的三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。通常，繞組是用高強度絕緣漆包線繞制成各種型式的繞組，按一定的排列方式嵌入定子槽內(nèi)。槽口用槽楔(一般為竹制)塞緊。槽內(nèi)繞組匝間、繞組與鐵心之間都要有良好的絕緣。如果是雙層繞組(就是一個槽內(nèi)分上下兩層嵌放兩條繞組邊)，還要加放層間絕緣。 (4)軸承。軸承是電動機定、轉(zhuǎn)子銜接的部位，軸承有滾動軸承和滑動軸承兩類，滾動軸承又有滾珠軸承(也稱為球軸承)，目前多數(shù)電動機都采用滾動軸承。這種軸承的外部有貯存

32、潤滑油的油箱，軸承上還裝有油環(huán)，軸轉(zhuǎn)動時帶動油環(huán)轉(zhuǎn)動，把油箱中的潤滑油帶到軸與軸承的接觸面上。為使?jié)櫥湍芊植荚谡麄€接觸面上，軸承上緊貼軸的一面一般開有油槽。4.1.2.2 轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子是電動機中的旋轉(zhuǎn)部分，如圖4.4中的部件5一般由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、風(fēng)扇等組成。轉(zhuǎn)軸用碳綱制成，兩端軸頸與軸承相配合。出軸端銑有鍵槽，用以固定皮帶輪或聯(lián)軸器。轉(zhuǎn)軸是輸出轉(zhuǎn)矩、帶動負(fù)載的部件。轉(zhuǎn)子鐵心也是電動機磁路的一部分。由0.5mm厚的硅鋼片疊壓成圓柱體，并緊固在轉(zhuǎn)子軸上。轉(zhuǎn)子鐵心的外表面有均勻分布的線槽，用以嵌放轉(zhuǎn)子繞組。三相交流異步電動機按照轉(zhuǎn)子繞組形式的不同，一般可分為籠型異步電動機和繞線型異步電

33、動機。(1)籠型轉(zhuǎn)子線槽一般都是斜槽(線槽與軸線不平行)，目的是改善起動與調(diào)速性能。其外形如圖4.4中的第5部分；籠型繞組(也稱為導(dǎo)條)是在轉(zhuǎn)子鐵心的槽里嵌放裸銅條或鋁條，然后用兩個金屬環(huán)(稱為端環(huán))分別在裸金屬導(dǎo)條兩端把它們?nèi)拷油?短接)，即構(gòu)成了轉(zhuǎn)子繞組；小型籠型電動機一般用鑄鋁轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子是用熔化的鋁液澆在轉(zhuǎn)子鐵心上，導(dǎo)條、瑞環(huán)一次澆鑄出來。如果去掉鐵心，整個繞組形似鼠籠，所以得名籠型繞組。 (2)繞線型轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組類似，由鑲嵌在轉(zhuǎn)子鐵心槽中的三相繞組組成。繞組一般采用星形連接，三相繞組繞組的尾端接在一起，首端分別接到轉(zhuǎn)軸上的3個銅滑環(huán)上，通過電刷把3根旋轉(zhuǎn)的線變成了固定線，與

34、外部的變阻器連接，構(gòu)成轉(zhuǎn)子的閉合回路，以便于控制。有的電動機還裝有提刷短路裝置，當(dāng)電動機起動后又不需要調(diào)速時，可提起電刷，同時使用3個滑環(huán)短路，以減少電刷摩損。兩種轉(zhuǎn)子相比較，籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，并且運行可靠，因而應(yīng)用十分廣泛。繞線型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價也高，但是它的起動性能較好，并能利用變阻器阻值的變化，使電動機能在一定范圍內(nèi)調(diào)速；在起動頻繁、需要較大起動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械(如起重機)中常常被采用。一般電動機轉(zhuǎn)子上還裝有風(fēng)扇或風(fēng)翼(如圖4.4中部件8)，便于電動機運轉(zhuǎn)時通風(fēng)散熱。鑄鋁轉(zhuǎn)子一般是將風(fēng)翼和繞組(導(dǎo)條)一起澆鑄出來。 3. 氣隙所謂氣隙就是定子與轉(zhuǎn)子之間的空隙。中小型異步電動機

35、的氣隙一般為0.2mm1.5mm。氣隙的大小對電動機性能影響較大，氣隙大。磁阻也大，產(chǎn)生同樣大小的磁通，所需的勵磁電流Im也越大，電動機的功率因數(shù)也就越低。但氣隙過小，將給裝配造成困難，運行時定、轉(zhuǎn)子容易發(fā)生摩擦，使電動機運行不可靠。 4.1.3 三相異步電動機的銘牌數(shù)據(jù)三相異步電動機在出廠時，機座上都固定著一塊銘牌，銘牌上標(biāo)注著額定數(shù)據(jù)。主要的額定數(shù)據(jù)為：(1) 額定功率PN(kW)：指電動機額定工作狀態(tài)時，電動機軸上輸出的機械功率。 (2) 額定電壓UN(v)：指電動機額定工作狀態(tài)時，電源加于定子繞組上的線電壓。 (3) 額定電流IN(A)：指電動機額定工作狀態(tài)時，電源供給定子繞組上的線電

36、流。(4) 額定轉(zhuǎn)速門nN(r/min)：指電動機額定工作狀態(tài)時，轉(zhuǎn)軸上的每分轉(zhuǎn)速。 (5) 額定頻率fN(Hz)：指電動機所接交流電源的頻率。 (6) 額定工作制：指電動機在額定狀態(tài)下工作，可以持續(xù)運轉(zhuǎn)的時間和順序，可分為額定連續(xù)工作的定額S1、短時工作的定額S2、斷續(xù)工作的定額S3等3種。 此外，銘牌上還標(biāo)明繞組的相數(shù)與接法(接成星形或三角形)、絕緣等級及溫升等。對繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，還應(yīng)標(biāo)明轉(zhuǎn)子的額定電動勢及額定電流。4.2 三相異步電動機的調(diào)速感應(yīng)電動機的調(diào)速問題一直是電機工程界關(guān)心和研究的問題之一。由于感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速為n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p所以可以從三個方面來調(diào)

37、節(jié)其轉(zhuǎn)速：（1）改變定子繞組的極對數(shù)p；（2）改變電動機的轉(zhuǎn)差率s；（3）改變電源頻率f14.2.1 變極調(diào)速三相異步電動機是利用改變定子繞組的接法，以改變電機的極數(shù)，從而使電機用一套繞組獲得兩種或兩種以上轉(zhuǎn)速的多速異步電動機。由于一般異步電動機正常運行時的轉(zhuǎn)差率s都很小，電機的轉(zhuǎn)速n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p可見，在電源頻率f1不變的情況下，改變定子繞組的極對數(shù)p，電機的轉(zhuǎn)速n就發(fā)生變化，例如極對數(shù)增加一倍，同步轉(zhuǎn)速就下降一半，隨之電動機的轉(zhuǎn)速，也約下降一半。顯然，這種調(diào)速方法只能做到一級一級地改變轉(zhuǎn)速，而不是平滑調(diào)速。變極電動機一般都用鼠籠式轉(zhuǎn)子，因為鼠籠轉(zhuǎn)子的極對數(shù)能自動地

38、隨著定于極對數(shù)的改變而改變，使定、轉(zhuǎn)子磁場的極對數(shù)總是相等而產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩。若為繞線式轉(zhuǎn)于，則定子極對數(shù)改變時，轉(zhuǎn)子繞組必須相應(yīng)地改變接法以得到與定于相同的極對數(shù)，很不方便。要使定子具有兩種極對數(shù)，容易想到的辦法是用兩套極對數(shù)不同的定子繞組，每次用其中一套，即所謂雙繞組變極，顯然，這是一個很不經(jīng)濟的辦法，只在特殊情況下才采用。理想的辦法是：只裝一套定子繞組而用改變繞組接法來獲得兩種或多種極對數(shù)，即所謂單繞組變極。其中倍極比情況(如24極，48極等)，和非倍極比(如46極，68極等)以及三速(如468極等)。4.2.1.1 變極原理異步電動機定子繞組通以三相電流，就能在氣隙中產(chǎn)生一個以同步轉(zhuǎn)速

39、轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)磁場。電機轉(zhuǎn)速n和電源頻率f1、繞組極對數(shù)p有如下關(guān)系：n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p    由此可以看出：當(dāng)頻率一定時，電機轉(zhuǎn)速n與極對數(shù)p成反比。只要設(shè)法改變極對數(shù)p，從而改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n。p愈大，n愈小；p愈小，n愈大。    改變定子繞組極對數(shù)，一般有以下三種方法： （1）單一繞組，改變其不同的接線組合，得到不同的極對數(shù)；（2）在定子槽內(nèi)安放兩個有不同極對數(shù)的獨立繞組；（3）在子槽內(nèi)安放兩個有不同極對數(shù)的獨立繞組，而且每個繞組又可以有不同的接線組合，得到不同的極對數(shù)。 

40、;對于工廠來說，第一種方法最簡單實用，因為它繞法簡單，出線頭較少，用銅也較省。所以單速異步電機改繞多速大多采用此法。若繞組改接前后的極對數(shù)是成倍數(shù)關(guān)系，則這種調(diào)速稱為倍極比調(diào)速， 例如2/4極、4/8極等；否則，稱為非倍極比調(diào)速，例如4/6極、6/8極等。4.2.1.2 變極調(diào)速的優(yōu)缺點變極調(diào)速的優(yōu)點是設(shè)備簡單、運行可靠、機械特性硬、損耗小、采用不同聯(lián)結(jié)方法可獲得恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速特性，以滿足不同生產(chǎn)機械的要求。缺點是只能分級調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，而且只能有兩個或三個轉(zhuǎn)速。另外，多速電動機的體積比同容量的普通籠型電動機大，運行性能也稍差一些，電動機的價格也較貴，但對不需要平滑調(diào)速的場合，還是一種

41、較經(jīng)濟的調(diào)速方法。變極調(diào)速廣泛應(yīng)用于機床電力拖動中。對屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式的雙速或三速電動機也可用來拖動電梯、運輸傳送帶或起重電葫蘆等。4.2.2 改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速變轉(zhuǎn)差率調(diào)速主要有轉(zhuǎn)子外加電阻調(diào)速、串級調(diào)速。（1）繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動機的轉(zhuǎn)差率加大，電動機在較低的轉(zhuǎn)速下運行。串入的電阻越大，電動機的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上。屬有級調(diào)速，機械特性較軟。（2）串級調(diào)速方法串級調(diào)速是指繞線式電動機轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動機的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用

42、產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級調(diào)速可分為電機串級調(diào)速、機械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式，多采用晶閘管串級調(diào)速，本方法適合于風(fēng)機、水泵及軋鋼機、礦井提升機、擠壓機上使用。4.2.3 變頻調(diào)速4.2.3.1 變頻調(diào)速原理交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電動機的調(diào)速原理十分重要。交流異步電動機是電氣傳動中使用最為廣泛的電動機類型。根據(jù)統(tǒng)計，我國異步電動機的使用容量約占拖動總?cè)萘康陌顺梢陨?，因此了解異步電動機的調(diào)速原理十分重要。交流調(diào)速是通過改變電定子

43、繞組的供電的頻率來達(dá)到調(diào)速的目的的，但定子繞組上接入三相交流電時，定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，它與轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，出現(xiàn)感應(yīng)電流，此電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。使電動機轉(zhuǎn)起來。電機磁場轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速，用n0表示：n0=60f/p；式中：f為三相交流電源頻率，一般是50Hz；p為磁極對數(shù)。當(dāng)p=1是，n0=3000rmin；p=2時，n0=1500rmin。由上式可知磁極對數(shù)p越多，轉(zhuǎn)速n0就越慢，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速n比磁場的同步轉(zhuǎn)速n0要慢一點，所以稱為異步電動機，這個差別用轉(zhuǎn)差率s表示：s= （n0-n）/ n0在加上電源轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動瞬間，n=0，這時s=1；啟

44、動后的極端情況n= n0，則s=0，即s在01之間變化，一般異步電動機在額定負(fù)載下的 s=1%6%。綜合n0和s的表達(dá)式可以得出：n=ns(1-s)=60f1(1-s)/p；由上式可以看出，對于成品電機，其極對數(shù)p已經(jīng)確定，轉(zhuǎn)差率s的變化不大，則電機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，因此改變輸入電源的頻率就可以改變電機的同步轉(zhuǎn)速，進而達(dá)到異步電機調(diào)速的目的。4.2.3.2 變頻調(diào)速的控制方式及選定（1）V/f比恒定控制V/f比恒定控制是異步電動機變頻調(diào)速中最基本的控制方式。它是在改變變頻器輸出電壓頻率的同時改變輸出電壓的幅值，以維護電機磁通基本恒定，從而在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)，使電動機的效率、功率因數(shù)不

45、下降。V/f控制是目前通用變頻器中廣泛采用的控制方式。三相交流異步電動機在工作過程中鐵心磁通接近飽和狀態(tài)，從而使鐵心材料得到充分的利用。在變頻調(diào)速的過程中，當(dāng)電動機電源的頻率發(fā)生變化時，電動機的阻抗將隨之變化，從而引起勵磁電流的變化，使電動機出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強。在勵磁不足時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩將降低，而勵磁過強時又會使鐵心中的磁通處于飽和狀態(tài)，是電動機中流過很大的勵磁電流，增加電動機的功率損耗，降低電動機的效率和功率因數(shù)。因此在改變頻率進行調(diào)速時，必須采取措施保持磁通恒定為額定值。由電機理論知道，電機定子的感應(yīng)電勢有效值是： 則 即另外，電機的電磁轉(zhuǎn)矩為:其中 與電動機有關(guān)的常數(shù)；Cos轉(zhuǎn)子每

46、相電路功率因數(shù)；轉(zhuǎn)子電壓與電流的相位差；電機的電磁轉(zhuǎn)矩。由以上公式推斷，若不變，當(dāng)定子電源頻率增加，將引起氣隙磁通減??；而減小又引起電動機電磁轉(zhuǎn)矩減小，這就出現(xiàn)了頻率增加，而負(fù)載能力下降的情況。在不變時，而定子電源頻率減小，又將引起增加,增加將導(dǎo)致磁路飽和，勵磁電流升高，從而導(dǎo)致電動機發(fā)熱，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電動機。由以上情況可知:變頻調(diào)速時，必須使氣隙磁通不變。因此，在調(diào)節(jié)頻率的同時，必須對定子電壓進行協(xié)調(diào)控制，但控制方式隨運行頻率在基頻以下和基頻以上而不同。1.基頻以下調(diào)速由式(3-4)可知，要保持不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低,使/=常值只要保持/為常數(shù)，就可以達(dá)到維

47、持磁通恒定的目的。因此這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。根據(jù)電機端電壓和感應(yīng)電勢的關(guān)系式： 式中: -定子相電壓； -定子電阻； -定子阻抗； -定子電流。當(dāng)電機在額定運行情況下，電機定子電阻和漏阻抗的壓降較小，和可以看成近似相等，所以保持V/f=常數(shù)即可。由于V/f比恒定調(diào)速是從基頻向下調(diào)速，所以當(dāng)頻率較低時，與都變小，定子漏阻抗壓降(主要是定子電阻壓降)不能再忽略。這種情況下，可以人為地適當(dāng)提高定子電壓以補償電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不變。變頻后的機械特性如圖4.5所示。圖4.5 電動機低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性從圖4.5中可以看出，當(dāng)電動機向低于額定轉(zhuǎn)速方向

48、調(diào)速時,曲線近似平行地下降，減速后的電動機仍然保持原來較硬的機械特性；但是臨界轉(zhuǎn)矩卻隨著電動機轉(zhuǎn)速的下降而逐漸減小，這就是造成了電動機負(fù)載能力的下降。臨界轉(zhuǎn)矩下降的原因可以如下解釋：為了使電動機定子的磁通量保持恒定，調(diào)速時就要求感應(yīng)電動勢與電源頻率的比值不變，為了使控制容易實現(xiàn)，采用電源電壓來近似代替，這是以忽略定子阻抗壓降作為代價，當(dāng)然存在一定的誤差。顯然，被忽略的定子阻抗壓降在電壓中所占的比例大小決定了它的影響。當(dāng)?shù)臄?shù)值相對較高時，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例相對較小，所產(chǎn)生的誤差較少；當(dāng)?shù)臄?shù)值較低時，定子阻抗壓降在電壓中所占的比例下降，而定子阻抗的壓降并不按同比例下井，使得定子阻抗壓降

49、在電壓中的比例增大，已經(jīng)不能再滿足。此時如果仍以代替，將帶來很大的誤差。因為定子阻抗壓降所占的比例增大，使得實際上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢減小，/的比值減小，造成磁通量減小，因而導(dǎo)致電動機的臨界轉(zhuǎn)矩的下降。變頻后機械特性的降低將是電動機帶負(fù)載能力減弱，影響交流電動機變頻調(diào)速的使用。一種簡單的解決方法就是所示的V/f轉(zhuǎn)矩補償法。轉(zhuǎn)矩補償法的原理是：針對頻率降低時，電源電壓成比例地降低引起的的下降過低，采用適當(dāng)?shù)奶岣唠妷旱姆椒▉肀３执磐亢愣?，使電動機轉(zhuǎn)矩回升，因此，有些變頻器說明書又稱它為轉(zhuǎn)矩提升（Torque Boost）。帶定子壓降補償?shù)膲侯l比控制特性示于圖4.6中的b線，無補償?shù)目刂铺匦詣t為a線。

50、定子降壓補償只能補償于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性，而對向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性不能補償。圖4.6 壓頻比控制特性曲線補償后的機械特性曲線如圖4.7所示。圖4.7 補償后的機械特性曲線2.在基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從額定頻率向上增高，但是電壓卻不能超出額定電壓，由式（3-4）可知，這將迫使磁通與頻率成反比例降低。這種調(diào)速方式下，轉(zhuǎn)子升高時轉(zhuǎn)矩降低，屬于恒功率調(diào)速方式。變頻后的機械特性如圖4.8所示。圖4.8 電動機高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時的機械特性當(dāng)電動機向高于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)速時，曲線不僅臨界轉(zhuǎn)矩下降，而且曲線工作段的斜率開始增大，使得機械特性變軟。造成這種現(xiàn)象的原因是

51、：當(dāng)頻率升高時，電源電壓不可能相應(yīng)升高。這是因為電動機繞組的絕緣強度限制了電源電壓不能超過電動機的額定電壓，所以，磁通量將隨著頻率的升高反比例下降。磁通量的下將使電動機的轉(zhuǎn)矩下降，造成電動機的機械特性變軟。以上調(diào)速方式相應(yīng)的特性曲線如圖4.9所示。圖4.9 整個頻率調(diào)速的特性曲線注：圖中曲線1在低頻時沒有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線 圖中曲線2在低頻時有定子降壓補償?shù)膲侯l曲線和主磁通曲線V/f比恒定控制存在的主要問題是低速性能差。其原因一方面是低速時定子的電壓和電勢近似相等條件已不能滿足，所以仍按V/f比恒定控制就不能保持電機磁通恒定，而電機磁通的減小勢必會造成電機的電磁轉(zhuǎn)矩減小。另一方

52、面原因是低速時逆變器橋臂上、下開關(guān)元件的導(dǎo)通時間相對較短，電壓下降，而且它們的互鎖時間也造成了電壓降低，從而引起轉(zhuǎn)矩脈動，在一定條件下這將會引起轉(zhuǎn)速、電流的振蕩，嚴(yán)重時會導(dǎo)致變頻器不能運行。4.2.3.3 其它控制方式（1）轉(zhuǎn)差頻率控制變頻調(diào)速轉(zhuǎn)差率控制方式是V/f控制的一種改進，這種控制需要由安裝在電動機上的速度傳感器檢測出電動機的轉(zhuǎn)速，構(gòu)成速度閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器的輸出時轉(zhuǎn)差率，而變頻器的輸出頻率則有電動機實際轉(zhuǎn)速與所需轉(zhuǎn)差頻率之和決定。它是解決V/f控制靜態(tài)性能較差的一種有效方法。雖然這種方法可以提高調(diào)速精度，但是它需要使用速度傳感器來求取轉(zhuǎn)差角頻率，還要針對具體電機的機械特性調(diào)整控制參數(shù)，

53、因而此方法的通用性較差。（2）矢量控制變頻調(diào)速矢量控制變頻調(diào)速的做法是：將異步電動機在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流、通過三相兩相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流、，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流、（相當(dāng)于直流電動機的勵磁電流；相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成比例的電樞電流），然后仿效直流電動機的控制方法，求得直流電動機控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，實現(xiàn)對異步電動機的控制。在高性能的異步電機控制系統(tǒng)中多采用交叉閉環(huán)控制的矢量控制。采用矢量控制方式的目的，主要是為了提高變頻調(diào)速的動態(tài)性能。雖然這一理論的提出是交流傳動理論上的一個飛躍，但是由于它既要確定轉(zhuǎn)子的磁鏈，又要進行坐標(biāo)變換

54、，還要考慮轉(zhuǎn)子參數(shù)變動帶來的影響，所以系統(tǒng)非常復(fù)雜。矢量控制變頻器通常應(yīng)用于軋鋼、造紙設(shè)備等對動態(tài)性能要求較高的場合。（3）直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動機的數(shù)學(xué)模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解

55、耦而簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。日前市場銷售的通用變頻器的控制多半為V/f比恒定控制，它的應(yīng)用比較廣泛，特別是在風(fēng)機，泵及土木機械等方面應(yīng)用較多，V/f比恒定控制的突出優(yōu)點是可以進行電機的開環(huán)速度控制。5、同步電機同步電機和感應(yīng)電機一樣是一種常用的交流電機。同步電機的特點是：穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之間又不變得關(guān)系n=ns=60f/p，ns成為同步轉(zhuǎn)速。若電網(wǎng)的頻率不變，則穩(wěn)態(tài)時同步電機的轉(zhuǎn)速恒為常數(shù)而與負(fù)載的大小無關(guān)。5.1 同步電機的工作原理5.1.1 磁場三相同步電機運行時存在兩個旋轉(zhuǎn)磁場: 定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場。（1）定子旋轉(zhuǎn)磁場：又常稱為電樞磁勢，而相應(yīng)的磁場稱為電樞磁場

56、速度：同步速度，即ns=60f/p;方向：從具有超前電流的相轉(zhuǎn)向具有滯后電流的相。形成原因：以電氣方式形成。當(dāng)對稱三相電流流過定子對稱三相繞組時,將在空氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁通勢。它的旋轉(zhuǎn)速度為同步速度，即ns=60f/p；它的旋轉(zhuǎn)方向是從具有超前電流的相轉(zhuǎn)向具有滯后電流的相；當(dāng)某相電流達(dá)到最大值的瞬間，旋轉(zhuǎn)磁勢的振幅恰好轉(zhuǎn)到該相繞組軸線處。這個旋轉(zhuǎn)磁通勢是以電氣方式形成的。同步電機不論作為發(fā)電機運行還是作為電動機運行，只要其定子三相繞組中流通對稱三相電流，都將在空氣隙中產(chǎn)生上述旋轉(zhuǎn)磁通勢，建立旋轉(zhuǎn)磁場。同步電機的定子繞組被稱為電樞繞組，因此，上述磁勢又常稱為電樞磁勢，而相應(yīng)的磁場稱為電樞磁場。（2

57、）轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場：直流勵磁的旋轉(zhuǎn)磁場。速度：同步速度，即ns=60f/p;方向：與定子相同。形成原因：機械方式形成。在同步電機的轉(zhuǎn)子上裝有由直流勵磁產(chǎn)生的磁極，磁極與轉(zhuǎn)子無相對運動。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時, 以機械方式形成旋轉(zhuǎn)磁通勢，并在氣隙中形成另一種旋轉(zhuǎn)磁場。由于磁場隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，被稱為直流勵磁的旋轉(zhuǎn)磁場。5.1.2 電動勢兩個旋轉(zhuǎn)磁場切割繞組產(chǎn)生。原因：旋轉(zhuǎn)磁場切割繞組。電動勢：定子繞組-感應(yīng)頻率與同步轉(zhuǎn)速相同的電動勢。由定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場共同作用，兩者有相角差。轉(zhuǎn)子繞組-正常情況下轉(zhuǎn)子與磁場同速，無感應(yīng)電動勢。同步電機的定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，但空間相位不同。當(dāng)切割靜止的定子繞組時，旋轉(zhuǎn)磁場在定子三相繞組中感應(yīng)出頻率相同，時間相位不同的感應(yīng)電動勢。繞組中的感應(yīng)電動勢的時間相位差與旋轉(zhuǎn)磁場間的空間相位差相等。在穩(wěn)態(tài)對稱運行時，無論是定子磁場或是轉(zhuǎn)子磁場都以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)子繞組沒有相對運動，不會在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。5.1.3 相互作用原因：磁極間同性相斥、異性相吸，相互作用的電磁力。由于同步電機的空氣隙間存在著兩種不同方式產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，因此，當(dāng)這兩個磁場的空間位置不同時，由于磁極間同性相斥、異性相吸的原理，它們之間便會產(chǎn)生相互作用的電磁力。同